JP2004033907A

JP2004033907A - マイクロリアクタ

Info

Publication number: JP2004033907A
Application number: JP2002194400A
Authority: JP
Inventors: Hirozo Matsumoto; 松本　浩造; Haruki Hagiwara; 萩原　春嬉; Akihiko Kadowaki; 門脇　昭彦
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】機械的強度が大きく、化学的耐性も有し、製作が容易で、反応室内で急峻な温度サイクルを実現できるマイクロリアクタを提供する。
【解決手段】拡散接合可能な金属製または合金製の板で作成され拡散接合された、蓋板１ａ、底板２ｄ及び両者間に挟まれる複数の流路板２ａ〜２ｃで、供給用孔１２から供給用流路２１ａ　、反応室２３ａ　、送出用流路２２ａ　及び送出用孔１３からなる液体の通過経路を構成し、供給用孔１２及び送出用孔１３に配管用チューブ接続用のジョイント６ａを取り付ける。底板２ｄの外面には、温度センサ５と、硼化物、窒化物またはそれらの複合物からなるヒータ４ａとをポリイミド膜３に内蔵させて底板２ａから電気的に絶縁して付備する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、化学合成や遺伝子解析等の、微小反応装置を必要とする分野で使用されるマイクロリアクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の化学合成や化合物の生産・製造においては、一般的に大きな反応槽が用いられる。一方、最近においては、マイクロメートルオーダの直径の流路（マイクロチャンネル）の中で反応を起こさせて反応の効率化や新規物質の創製等を目的とする研究が注目されてきている。このような微小の流路もしくはごく狭い反応室で化学反応を起こさせる装置は“マイクロリアクタ”と呼ばれている。
【０００３】
このマイクロリアクタは、高効率で低環境負荷型の反応や従来の反応装置では制御不可能な激しい反応等を可能とする点で、化学合成や各種の分析・解析等に変革をもたらすのではないか、と期待されている。以下に、マイクロリアクタによる反応の特徴を列記する。
１）　ディメンジョン（直線距離）が小さい。
【０００４】
２）　単位体積当たりの表面積が大きい。
３）　前項の効果により、反応物質間の相互移動がよい（界面での反応・混合が効率的になる）。
４）　更に、熱移動が効率的になる（効率的な温度制御が可能となる）。
また、遺伝子解析技術で必要となる核酸抽出やポリラーゼ連鎖反応等においても、マイクロリアクタを適用することで反応時間の短縮や使用物質の消費量削減等の効果が期待される。
【０００５】
従来のマイクロリアクタとしては、図３及び図４に示すような構造のものが提案されている（近藤、森本、堀、篠原、狩野：電気学会論文集Ｅ、Ｖｏｌ１１９−Ｅ，　Ｎｏ１０，　　’９９　　を参照）。図３はその構造を示す断面図であり、図４はその構成を示す斜視分解図である。
このマイクロリアクタは、例えば厚さ２００　μｍ　前後のシリコンウェハを素材とする蓋板１及び流路板２が接合されて構成されている。蓋板１には、流路板２と接合される面にパイレックスガラス膜１１が成膜されている。流路板２には、各種溶液や薬品類等の流体を供給する供給用流路２１、流体を送り出す送出用流路２２及び反応室２３となる溝と、下面から供給用流路２１へ流体を供給するための不図示の供給用孔及び送出用流路２２から下面へ流体を送り出すための不図示の送出用孔と、が形成され、その上面及び流体に触れる部分には酸化シリコン膜２４が成膜され、下面にはポリイミド膜３がコーティングされており、この膜３内に電気的に絶縁されてヒータ４及び温度センサ５が内包されている。流路板２の供給用孔及び送出用孔の開口部には、流体を注入または回収するためのチューブを接続するためのジョイント６が取り付けられている。
【０００６】
蓋板１と流路板２は、パイレックスガラス膜１１及び酸化シリコン膜２４を介して３００℃前後の加熱状態で静電接合されて一体化する。パイレックスガラス膜１１の厚さは０．２　〜０．５　μｍ　、酸化シリコン膜２４の厚さは０．０５μｍ　程度であり、それぞれの膜１１及び２４はスパッタで成膜される。流路２１及び２２や反応室２３のための溝、供給用孔及び送出用孔は、窒化シリコン膜等をマスクとして、水酸化カリウム水溶液を用いる異方性エッチングによって形成される。反応室２３の部分は深彫りされ、流路２１と２２の部分はそれほど深くない。ポリイミド膜３はスピンコーティング等の方法で塗布された後、必要に応じてパターニングされ、　２００℃前後で熱処理されて作成される。ヒータ４は、電気コンタクト部用金属膜（例えば白金膜）及び発熱体としての白金膜がそれぞれにスパッタ成膜されフォトリソグラフィによってパターニングされて作成される。温度センサ５も同様に作成されるが、チタン膜を測温抵抗体として使用している。ポリイミド膜３は、反応室２３の底の部分の補強材の役割も兼ねている。
【０００７】
蓋板１及び流路板２が静電接合で一体化された後、ジョイント６が取り付けられ、電気コンタクト部に不図示の電気的配線が接続されて、マイクロリアクタが完成する。
このようなマイクロリアクタを用いると、その微小な反応室内に、所定の溶液や薬品、例えば各種の核酸（ＤＮＡ）及びポリメラーゼ等、を注入した後、種々の温度上昇・保持・下降条件の加熱処理を実行することができて、反応過程の追試が可能となり、更には新規物質を創製することも可能となる。したがって、マイクロリアクタは、従来の化学合成とか化合物の生産・製造においては困難であった反応の効率化や新規物質の創製等を可能とする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロリアクタに対する要請点としては、
１）　　形状の面からは、微小の流路（マイクロチャンネル）と反応室とを精度良く加工できること、
２）　　熱特性の面からは、熱伝達（もしくは温度上昇）が迅速且つ効率的で反応を促進でき、反応室内の温度分布の均一性も優れていること、
３）　　反応室内での圧力上昇に対する機械的強度が十分に確保できること、
４）　　溶液や薬品類に対する化学的な安定性を有すること、
５）　　製作方法が簡素で安価に製造できること、
等が上げられる。
【０００９】
従来例として前述した、シリコンウェハを用いたマイクロリアクタは、従来のエッチング加工技術を適用して微小な流路や反応室を高精度で加工でき、シリコンの高い熱伝導性のためにガラス容器等よりも反応室内の温度分布の均一性をより高めることができる等の利点を有している。
しかし、シリコンが脆性材料であることによって、破損に対する配慮が必要であり、更に、反応室や貫通孔を形成するために、数回のマスク形成及び長時間のエッチング工程を必要とすることが難点である。機械的強度の点から、反応室の底の部分の厚さの下限を約５０μｍ　としており、ヒータ及び温度センサを電気的に絶縁しているポリイミド膜がこの部分の補強材を兼ねている。
【００１０】
また、流路板の裏面に形成されているヒータには、白金やチタン等の金属の薄膜が使用されているが、これらの材料は比抵抗が低いためヒータの抵抗値の上限が低く、投入できる電力の上限が比較的低位に制限されており、より急峻な温度上昇を実現できるヒータが望まれている。
この発明の課題は、従来のシリコンウェハを用いたマイクロリアクタより機械的強度が大きく、化学的な耐性も有し、製作も容易で、且つ反応室内で急峻な温度サイクルを実現できるマイクロリアクタを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、溶液や薬品等の液体を供給する供給路と、液体内での反応を進行させる反応室と、反応した液体を取り出す送出路と、反応室内の液体の温度を制御するヒータと、その温度を測定する温度センサと、を備えたマイクロリアクタであって、供給路、反応室及び送出路を、金属製または合金製であり且つ互いに拡散接合された、蓋板と、底板と、蓋板及び底板の間に挟まれた複数の流路板と、で形成する。
【００１２】
蓋板、底板及び流路板を拡散接合可能な金属または合金とするので、シリコンやガラスに比べて機械的な延性と靭性に富み、蓋板や底板をより薄くすることができる。また、流路基板を複数にするので、蓋板と底板と個々の流路板の厚さをほぼ同等に揃えることができて、それぞれの板を同等の高い加工精度で加工でき、且つ反応室の深さを流路板の枚数で調節することができる。また、蓋板と底板と複数の流路板との接合に拡散接合を採用するので、接着層が不要であり、且つ蓋板、複数の流路板及び底板を同時に一体化することができる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記蓋板に、液体の供給口となる供給用貫通孔と、液体の送出口となる送出用貫通孔と、を備え、蓋板に直接に接合される流路板に、供給用貫通孔に連通する供給用流路となる供給用流路孔と、送出用貫通孔に連通する送出用流路となる送出用流路孔と、供給用流路孔及び送出用流路孔につながる反応室用孔と、を備え、他の流路板に、反応室用孔と連通するそれぞれの反応室用孔を備え、前記底板の外面に、ヒータ及び温度センサを底板から電気的に絶縁して備える。
【００１４】
蓋板に液体の供給口と送出口を形成し、その供給口と送出口に対応させて最近接の流路板で供給用流路と送出用流路と反応室の一部とを形成し、他の流路板と底板とで反応室を完成させるので、この発明によるマイクロリアクタは、上部から液体を供給及び送出するマイクロリアクタとしては最も単純な構造となる。
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記底板に、液体の供給口となる供給用貫通孔と、液体の送出口となる送出用貫通孔と、を備え、且つその底板の外面に、ヒータ及び温度センサを底板から電気的に絶縁して備え、底板に直接に接合される流路板に、供給用貫通孔に連通する供給用流路となる供給用流路孔と、送出用貫通孔に連通する送出用流路となる送出用流路孔と、供給用流路孔及び送出用流路孔につながる反応室用孔と、を備え、他の流路板に、反応室用孔と連通するそれぞれの反応室用孔を備える。
【００１５】
底板に液体の供給口と送出口を形成し、その供給口と送出口に対応させて最近接流路板で供給用流路と送出用流路と反応室の一部とを形成し、他の流路板と底板とで反応室を完成させるので、この発明によるマイクロリアクタは、下部から液体を供給及び送出するマイクロリアクタとしては最も単純な構造となる。
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記ヒータを、硼化物、窒化物またはそれらの複合物で作製する。
【００１６】
硼化物、窒化物またはそれらの複合物は、白金やチタン等の金属に比べて比抵抗が高いので、急峻な温度サイクルを制御することが可能な従来より高い抵抗値のヒータを作成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明によるマイクロリアクタは、拡散接合の可能な材料からなる板を材料とした、蓋板、複数の流路板及び底板を、拡散接合によって一体化して作成される。拡散接合の可能な材料としては、各種の金属またはその合金、例えば銅、鉄、アルミニウム、ニッケル、チタン、ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、タングステン等とその合金、が使用可能であるが、マイクロリアクタの使用目的、使用条件によって、使用する溶液や薬品類との反応性や反応温度における耐熱性等を勘案して選定される。
【００１８】
以下において、この発明によるマイクロリアクタの実施の形態について実施例を用いて説明する。なお、従来技術と同じ機能の部分には同じ符号を付ける。
実施例においては、溶液や薬品類に対する化学的安定性、耐熱性、材料の経済性等の観点から、蓋板、複数の流路板及び底板としてステンレス鋼の板または箔を使用している。
【００１９】
なお、より高い化学的安定性を必要とする場合には、チタン、ニオブ、ニッケル等の金属かその合金が使用され、より高温の使用を目的とする場合には、モリブデン、タングステンやその合金が使用される。
図１は実施例の構造を示す断面図であり、図２は実施例の構成を示す斜視分解図である。
【００２０】
蓋板１ａには、溶液や薬品等の液体を注入するための供給用孔１２と、反応室から反応後の液体を取り出すための送出用孔１３と、がエッチングまたは機械加工で形成されている。蓋板１ａの下には３枚の流路板２ａ、２ｂ及び２ｃが積層されている。蓋板１ａに直接に接合されている第１の流路板２ａには、供給用流路２１ａ　、反応室２３ａ　の一部及び送出用流路２２ａ　となる流路及び反応室用孔２５が、王水系のエッチング液によるエッチングによって形成され、第２の流路板２ｂ及び第３の流路板２ｃには、それぞれに反応室２３ａ　の一部となる反応室用孔２６または反応室用孔２７が同様のエッチングによって形成されている。第３の流路板２ｃの下には反応室２３ａ　の底となる底板２ｄが配置され、蓋板１ａから底板２ｄまでの５枚の板が拡散接合されて一体化し、供給用孔１２から供給用流路２１ａ　、反応室２３ａ　、送出用流路２２ａ　、送出用孔１３までの液体の移動経路が形成される。
【００２１】
この状態で、底板２ｄの外面に、ポリイミド膜３で電気的に絶縁されたヒータ４ａ及び温度センサ５が付備される。ポリイミド膜３は、図１には区別して示していないが、３回に分けて成膜され、それらの間にヒータ４ａと温度センサ５とが別々に作り込まれる。最初のポリイミド膜は、スピンコーティングされた後、　２００℃前後の熱処理でキュアされ、底板２ｄの外面全面を覆う。その上に、ヒータ４ａのコンタクト部となる白金膜がスパッタ成膜されフォトリソグラフィによってパターニングされ、続いて、ヒータ４ａの発熱体部となる硼化物のＨｆＢ_２がスパッタ成膜されフォトリソグラフィによってパターニングされて、白金膜のコンタクト部とＨｆＢ_２膜の発熱体部とからなるヒータ４ａが完成する。その表面に２番目のポリイミド膜がスピンコーティングされ、フォトリソグラフィによってヒータ４ａのコンタクト部を露出させるようにパターニングされ、キュアされてヒータ４ａの大部分の表面を覆う。次に、ヒータ４ａと同様に、温度センサ５のコンタクト部となる白金膜がスパッタ成膜されフォトリソグラフィによってパターニングされ、温度センサの感温部となるチタン膜がスパッタ成膜されフォトリソグラフィによってパターニングされ、白金膜のコンタクト部とチタン膜の感温部とからなる温度センサ５が完成する。この表面に３番目のポリイミド膜がスピンコーティングされ、フォトリソグラフィによってヒータ４ａ及び温度センサ５のコンタクト部を露出させるようにパターニングされ、キュアされて、温度センサ５の大部分の表面を覆う。
【００２２】
最後に、蓋板１ａの供給用孔１２及び送出用孔１３の位置に、配管用のチューブを接続するジョイント６ａが取り付けられて、マイクロリアクタが完成する。
上記の蓋板１ａ等の厚さは、必要な加工寸法や加工精度によって適切なものが選択されるが、少なくとも１０μｍ　まで薄くすることは可能である。参考までに、実施例の場合の数値を示すと、蓋板１ａ及び各流路板２ａ〜２ｃは５０μｍ　、底板２ｄは１０μｍ　である。
【００２３】
なお、供給用流路２１ａ　及び送出用流路２２ａ　の幅は５０μｍ　である。反応室２３ａ　の容積と形状は、マイクロリアクタの使用目的に合わせて決定されるが、その深さに合わせて積層する流路板の厚さと枚数とが決定され、形状に合わせて個々の流路板に形成される反応室用孔２５等の形状が決定される。複数の流路板を使用することによって、反応室２３ａ　の大きさ及び形状を任意に設計することができる。
【００２４】
蓋板１ａ等の拡散接合は、真空中または０℃以下の露点をもつ窒素、アルゴン、水素等の不活性または還元性雰囲気内で加熱、加圧することで実行される。ステンレス鋼の場合には、　９００℃前後の温度で　０．２ｋｇ／ｍｍ^２程度の圧力を約２時間印加することによって、蓋板１ａ等を一体化でき、その接合部の強度は、各部材の強度そのものと同様となった。また、底板２ｄに厚さ１０μｍ　の板を使用しても、数気圧の圧力で破損することはなかった。
【００２５】
以上においては、液体の供給側である供給用流路２１ａ　及び取り出し側である送出用流路２２ａ　がそれぞれ１つである場合を説明したが、それらを必要に応じて複数にすることは可能である。
また、ヒータ４ａの発熱体部にＨｆＢ_２を使用しているが、ＨｆＢ_２以外の硼化物やＴａＮ等の窒化物やそれらの複合物を使用することも有効である。参考までに、ＨｆＢ_２の比抵抗を示すと２．４０μΩｍであり、白金やチタンの比抵抗より大きく、ＨｆＢ_２等の硼化物や窒化物を０．１　〜０．５　μｍ　の厚さに成膜してヒータ４ａの発熱体とすると、発熱体の抵抗値が大きくなる。したがって、このＨｆＢ_２等を発熱体とするヒータ４ａは、従来のヒータに比べてより急峻に反応室２３ａ　の温度を上昇させることが可能となり、反応促進に寄与する。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１の発明においては、供給路、反応室及び送出路を、金属製または合金製であり且つ互いに拡散接合された、蓋板と、底板と、蓋板及び底板の間に挟まれた複数の流路板と、で形成する。蓋板、底板及び流路板を拡散接合可能な金属または合金とするので、シリコンやガラスに比べて機械的な延性と靭性に富み、蓋板や底板をより薄くすることができる。また、流路基板を複数にするので、蓋板と底板と個々の流路板の厚さをほぼ同等に揃えることができて、それぞれの板を同等の高い加工精度で加工でき、且つ反応室の深さを流路板の枚数で調節することができる。また、蓋板と底板と複数の流路板との接合に拡散接合を採用するので、接着層が不要であり、且つ蓋板、複数の流路板及び底板を同時に一体化することができる。
【００２７】
したがって、この発明によれば、従来のシリコンウェハを用いたマイクロリアクタより機械的強度が大きく、化学的な耐性も有し、製作も容易な、マイクロリアクタを提供することができる。
請求項２の発明においては、蓋板に液体の供給口と送出口を形成し、その供給口と送出口に対応させて最近接流路板で供給用流路と送出用流路と反応室の一部とを形成し、他の流路板と底板とで反応室を完成させるので、この発明によれば、上部から液体を供給及び送出するマイクロリアクタとして、最も構造の単純なマイクロリアクタを提供することができる。
【００２８】
請求項３の発明においては、底板に液体の供給口と送出口を形成し、その供給口と送出口に対応させて最近接流路板で供給用流路と送出用流路と反応室の一部とを形成し、他の流路板と底板とで反応室を完成させるので、この発明によれば、下部から液体を供給及び送出するマイクロリアクタとして、最も構造の単純なマイクロリアクタを提供することができる。
【００２９】
請求項４の発明においては、ヒータが硼化物、窒化物またはそれらの複合物からなる。硼化物、窒化物またはそれらの複合物は、白金やチタン等の金属に比べて比抵抗が格段に高いので、急峻な温度サイクルを制御することが可能な従来より高い抵抗値のヒータを作成することができる。したがって、この発明によれば、反応室内で急峻な温度サイクルを実現できるマイクロリアクタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるマイクロリアクタの実施例の構造を示す断面図
【図２】実施例の構成を示す斜視分解図
【図３】従来技術によるマイクロリアクタの一例の構造を示す断面図
【図４】従来例の構成を示す斜視分解図
【符号の説明】
１，　１ａ　蓋板
１１　パイレックスガラス膜　１２　供給用孔
１３　　送出用孔
２，　２ａ，　２ｂ，　２ｃ　　流路板　　　２ｄ　　底板
２１，　２１ａ　供給用流路　　　　　　　　２２，　２２ａ　送出用流路
２３，　２３ａ　反応室　　　　　　　　　　　２４　　酸化シリコン膜
２５　流路及び反応室用孔　　２６，　２７　反応室用孔
３　ポリイミド膜
４，　４ａ　ヒータ
５　温度センサ
６，　６ａ　　ジョイント

Claims

溶液や薬品等の液体を供給する供給路と、液体内での反応を進行させる反応室と、反応した液体を取り出す送出路と、反応室内の液体の温度を制御するヒータと、その温度を測定する温度センサと、を備えたマイクロリアクタであって、
供給路、反応室及び送出路を、金属製または合金製であり且つ互いに拡散接合された、蓋板と、底板と、蓋板及び底板の間に挟まれた複数の流路板と、で形成する、
ことを特徴とするマイクロリアクタ。
前記蓋板に、液体の供給口となる供給用貫通孔と、液体の送出口となる送出用貫通孔と、を備え、
蓋板に直接に接合される流路板に、供給用貫通孔に連通する供給用流路となる供給用流路孔と、送出用貫通孔に連通する送出用流路となる送出用流路孔と、供給用流路孔及び送出用流路孔につながる反応室用孔と、を備え、
他の流路板に、反応室用孔と連通するそれぞれの反応室用孔を備え、
前記底板の外面に、ヒータ及び温度センサを底板から電気的に絶縁して備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
前記底板に、液体の供給口となる供給用貫通孔と、液体の送出口となる送出用貫通孔と、を備え、且つその底板の外面に、ヒータ及び温度センサを底板から電気的に絶縁して備え、
底板に直接に接合される流路板に、供給用貫通孔に連通する供給用流路となる供給用流路孔と、送出用貫通孔に連通する送出用流路となる送出用流路孔と、供給用流路孔及び送出用流路孔につながる反応室用孔と、を備え、
他の流路板に、反応室用孔と連通するそれぞれの反応室用孔を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
前記ヒータを、硼化物、窒化物またはそれらの複合物で作製する、ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。